(57)【要約】【課題】熱源流路への取付けが容易で、高温となる熱回収部における応力の集中を回避し得るスターリングエンジンを提供する。【解決手段】ピストン部材（２０，４０）をシリンダ１０内に摺動自在に支持すると共にシリンダの基端部をハウジング１に固定し、シリンダの先端部（１１）を熱源流路内に配置し、取付部材４の取付孔４ｒに嵌合して熱源流路に装着する。シリンダを囲繞するように嵌合する支持筒体１３を備え、この支持筒体を第１の支持部材（ステー３ｂ）によって取付部材に支持すると共に、第２の支持部材（ステー３ａ）によってハウジングを取付部材に支持することにより、スターリングエンジンを熱源流路に支持する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン部材をシリンダ内に摺動自在に支持すると共に該シリンダの基端部を固定するハウジングを備え、前記シリンダの先端部を熱源流路内に配置し、該熱源流路に前記ハウジングを支持するスターリングエンジンにおいて、前記シリンダを嵌合する取付孔を有し前記熱源流路に装着する取付部材と、前記シリンダを囲繞するように嵌合する支持筒体と、該支持筒体を前記取付部材に支持する第１の支持部材と、前記ハウジングを前記取付部材に支持する第２の支持部材とを備え、該第２の支持部材及び前記第１の支持部材によって前記熱源流路に支持することを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項２】
前記支持筒体の内周面と前記シリンダの外周面との間に、前記シリンダを冷却する冷却媒体流路を形成することを特徴とする請求項１記載のスターリングエンジン。
【請求項３】
前記シリンダの外周面に環状溝を形成し、該環状溝に嵌合するリング部材を備え、該リング部材を前記ハウジングと前記支持筒体との間に挟持することを特徴とする請求項１又は２記載のスターリングエンジン。
【請求項４】
前記支持筒体は、前記ハウジングとの接合面にフランジ部を有し、該フランジ部に前記第１の支持部材を固定すると共に、当該フランジ部を前記ハウジングに固定することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のスターリングエンジン。
【請求項５】
前記支持筒体のフランジ部に接合する接合面を有し、前記ハウジングに固定する環状のフランジ部材を備えたことを特徴とする請求項４記載のスターリングエンジン。
【請求項６】
前記第１及び第２の支持部材は、複数のコ字状断面のステーであることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載のスターリングエンジン。
【請求項７】
前記取付孔の内周面に環状溝を有し、該環状溝に嵌着する環状のシール部材を備えたことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載のスターリングエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はスターリングエンジンに関し、特に、排熱を熱源として熱エネルギーを電気エネルギー等に変換し得るスターリングエンジンに係る。
【背景技術】
【０００２】
近年、窯業炉、ごみ処理炉等から排出されている熱エネルギーを回収すべく、排熱を熱源として熱エネルギーを電気エネルギー等に変換し得る装置として、高温空間と低温空間の作動流体が再生器を介して周期的に移動しつつディスプレーサピストンがシリンダ内を往復移動するスターリングエンジンが注目されている。このようなスターリングエンジンにおいては、排熱流体等の熱媒体がダクト、パイプ等の配管を流動する熱源流路内に、シリンダの熱回収部を配置するため、これを直接配管に固定する取付構造が一般的である。
【０００３】
例えば、下記の特許文献１には、熱源ガス流路内にスターリングエンジンの加熱部を設置するため、シリンダヘッドを熱源ガス流路に直接固定する取付構造が開示されている。また、下記の特許文献２には、排気ガス流路の下流側開口にスターリングエンジンのシリンダ先端（熱回収部）を直接固定する取付構造が開示されている。更に、下記の特許文献３には、スターリングエンジンの２つのシリンダヘッド部が、基準体を介して排気管の側部開口に固定され、加熱器が排気管内部に延出する取付構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１０１５０１号公報
【特許文献２】特開２００４−３６４９９号公報
【特許文献３】特開２００５−２４８９２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献に開示されたスターリングエンジンの取付構造においては、熱媒体で加熱されて高温となるシリンダの熱回収部に、熱源流路への取付部が設けられているので、スターリングエンジンの重量荷重や、振動に起因する変位荷重等の応力がシリンダの熱回収部に集中するおそれがある。このため、例えばシリンダ内に収容されるディスプレーサピストンの摺動間隙を所定範囲内に維持することが困難となる。
【０００６】
そこで、本発明は、高温空間と低温空間の作動流体が再生器を介して周期的に移動しつつディスプレーサピストンがシリンダ内を往復移動するスターリングエンジンに関し、熱源流路への取付けが容易で、高温となるシリンダの熱回収部に対する応力の集中を回避し得るスターリングエンジンを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係るスターリングエンジンは、ピストン部材をシリンダ内に摺動自在に支持すると共に該シリンダの基端部を固定するハウジングを備え、前記シリンダの先端部を熱源流路内に配置し、該熱源流路に前記ハウジングを支持するスターリングエンジンにおいて、前記シリンダを嵌合する取付孔を有し前記熱源流路に装着する取付部材と、前記シリンダを囲繞するように嵌合する支持筒体と、該支持筒体を前記取付部材に支持する第１の支持部材と、前記ハウジングを前記取付部材に支持する第２の支持部材とを備え、該第２の支持部材及び前記第１の支持部材によって前記熱源流路に支持するように構成したものである。前記支持筒体の内周面と前記シリンダの外周面との間に、前記シリンダを冷却する冷却媒体流路を形成することができる。
【０００８】
上記のスターリングエンジンにおいて、前記シリンダの外周面に環状溝を形成し、該環状溝に嵌合するリング部材を備え、該リング部材を前記ハウジングと前記支持筒体との間に挟持する構成とするとよい。
【０００９】
また、前記支持筒体は、前記ハウジングとの接合面にフランジ部を有し、該フランジ部に前記第１の支持部材を固定すると共に、当該フランジ部を前記ハウジングに固定するとよい。そして、前記支持筒体のフランジ部に接合する接合面を有し、前記ハウジングに固定する環状のフランジ部材を備えたものとするとよい。前記第１及び第２の支持部材は、複数のコ字状断面のステーとすることができる。
【００１０】
そして、上記のスターリングエンジンにおいて、前記取付孔の内周面に環状溝を有し、該環状溝に嵌着する環状のシール部材を備えたものとするとよい。尚、前記再生器は、複数の金属網層を有する積層筒体で構成することができ、前記再生器は、一枚の金属網を複数回巻回した後に巻端部を溶接して前記積層筒体を形成することとしてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は上述のように構成されているので以下に記載の効果を奏する。即ち、上記のスターリングエンジンによれば、第１及び第２の支持部材を介して熱源流路に適切に支持されるので、シリンダの熱回収部に対して応力が集中することなく、ディスプレーサピストンの円滑な作動を確保することができる。また、熱源流路内を流体が流れている設備稼動状態であっても、シリンダを取付部材に固定した状態でハウジングを熱源流路から取り外すことができるので、スターリングエンジンに対するメインテナンスを容易に行うことができる。
【００１２】
しかも、スターリングエンジンの熱源流路への支持部のシール部材に変形応力が作用することはないので、適切なシール性が維持される。而して、スターリングエンジンと熱源流路との間に確実な気密性を確保することができ、高温流体はもとより毒性流体や蒸発性流体（ＬＮＧ等）の流出を、確実に阻止することができる。
【００１３】
更に、熱源流路に対し、熱回収部が最下部に配置するように取り付け、スターリングエンジンを倒立姿勢で支持することができるので、ディスプレーサピストン近傍で磨耗粉や酸化スケール等が発生しても、パワーピストン部分まで到達することを阻止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係るスターリングエンジンの具体的な構造を示す縦断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るスターリングエンジンの具体的な構造を示す横断面図である。
【図３】本発明の一実施形態におけるハウジングとシリンダの接合状況を拡大して示す縦断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るスターリングエンジンの基本構成の一部を拡大して示す縦断面図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係るスターリングエンジンの具体的な構造を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の望ましい実施形態に関し、図面を参照して説明する。図１及び図２に本発明の一実施形態を示すように、本実施形態は機械リンク型（キネマチック型）のスターリングエンジンであり、そのハウジング１に、スターリングエンジンのシリンダ１０が固定されると共に、電動モータ及び発電機として機能するモータジェネレータ２が固定されている。シリンダ１０内にはディスプレーサピストン２０が収容され、高温空間ＨＳと低温空間ＬＳが形成され、両空間の作動流体が再生器３０を介して周期的に移動しつつディスプレーサピストン２０がシリンダ１０の軸方向に往復移動すると共に、ディスプレーサピストン２０と同軸上に配置されたパワーピストン４０がシリンダ１０の軸方向に往復移動するように構成されている。尚、図１は高温空間ＨＳが最小容量で低温空間ＬＳが最大容量の状態を示し、図２は高温空間ＨＳが最大容量で低温空間ＬＳが最小容量の状態を示す。
【００１６】
シリンダ１０はシリンダヘッド１１と筒体のシリンダ本体１２が溶接接合されたもので、シリンダ１０内でのディスプレーサピストン２０の往復移動軌跡の全長に亘り、シリンダ１０の内壁面とディスプレーサピストン２０の外壁面との間に一定の環状間隙を維持するように、ディスプレーサピストン２０がパワーピストン４０に対し軸方向移動可能に支持されている。そして、上記の環状間隙内に再生器３０が配置され、シリンダ１０内でのディスプレーサピストン２０の往復移動中、作動流体に対し一定の間隙の環状流路を維持するように、シリンダ１０に支持されている。この作動流体は気体であり、本実施形態ではヘリウムガスが用いられているが、空気を用いることとしてもよい。
【００１７】
本実施形態の再生器３０は、複数の金属網層を有する積層筒体で構成され、例えば、一枚の金属網が複数回巻回された後に巻端部がスポット溶接されて積層筒体が形成される。あるいは、これに代えて、蓄熱量の確保と通気抵抗の低減を両立させ得る他の部材を用いることとしてもよい。尚、再生器３０はディスプレーサピストン２０に装着することとしてもよい。
【００１８】
図１及び図２に示すように、シリンダ１０内に摺動自在に支持されるディスプレーサピストン２０及びパワーピストン４０のピストン部材は、ハウジング１内で後述するクランク機構７０に連結され、このシリンダ１０の基端部がフランジ部材１ｆを介してハウジング１に固定され、シリンダ１０の先端部（シリンダヘッド１１）が熱源流路内に配置されている。本実施形態の熱源流路は天板６とダクト（後述する図５のダクト７と同様）によって構成され、天板６の取付孔６ｈ回りに、円盤状の蓋体である取付部材４がリング部材５を介してボルトＢ６によって固定されている。更に、取付部材４には、シリンダ１０を嵌合する取付孔４ｒが形成されている。このように、スターリングエンジンは、その熱回収部のシリンダヘッド１１が最下部となるように熱源流路内に配置されており、倒立姿勢で取付部材４に支持されているので、ディスプレーサピストン２０近傍に磨耗粉や酸化スケール等が発生しても、パワーピストン４０に到達することはない。
【００１９】
取付部材４の取付孔４ｒの内周面には環状溝４ｇが形成されており、この環状溝４ｇに環状のシール部材Ｓが嵌着されている。更に、シリンダ１０を囲繞するように嵌合される支持筒体１３が設けられ、この支持筒体１３が第１の支持部材たるステー３ｂによって取付部材４に支持される。また、ハウジング１は第２の支持部材たるステー３ａによって取付部材４に支持される。これらのステー３ａ及び３ｂは、剛性が高いコ字状断面の本体部と、その両端に形成された屈曲部を有し、ボルトＢ１乃至Ｂ３によって固定されて剛結合となる。
【００２０】
図３に拡大して示すように、シリンダ本体１２の中間部の外壁面には環状溝１２ｇが形成されると共に、環状凹部１２ｒが形成されている。そして、環状溝１２ｇにＣ字状のリング部材１５が嵌合されると共に、環状凹部１２ｒを覆うように支持筒体１３が配置され、環状凹部１２ｒの軸方向両端部に配設される環状のシール部材（代表してＳで表す）を介して液密的に固定されている。支持筒体１３の中間部にはフランジ部１３ｆが一体的に形成されており、ボルトＢ４によってフランジ部１３ｆがハウジング１に固定されると、ハウジング１の開口段部１ｓにシール部材Ｓを介して支持筒体１３が液密的に固定されるように構成されている。この場合において、リング部材１５はハウジング１と一体のフランジ部材１ｆの開口段部１ｓに当接し、フランジ部材１ｆと支持筒体１３との間に挟持された状態で保持されるので、シリンダ本体１２ひいてはシリンダ１０のハウジング１に対する軸方向の位置を所定の位置に設定する（位置決めを行う）ことができる。尚、フランジ部材１ｆはボルトＢ５によってハウジング１に固定され、取付部材４はボルトＢ６（図１）によってリング部材５を介して熱源流路の天板６に固定されており、接合部にはシール部材Ｓが配設され気密に固定されている。
【００２１】
支持筒体１３には冷却媒体流入部及び冷却媒体流出部（図示せず）が設けられており、環状凹部１２ｒと支持筒体１３によって画成される環状空間の冷却媒体流路ＣＬ内に冷却媒体（例えば水）が冷却媒体流入部から導入され、冷却媒体流出部から排出されるように構成されており、これらによって冷却器が構成され、シリンダ本体１２内に低温空間ＬＳが形成される。一方、シリンダヘッド１１には複数の集熱フィン１１ｆが設けられており、これらの集熱フィン１１ｆを介して熱源流路内の流体によってシリンダヘッド１１が加熱され、シリンダヘッド１１内に高温空間ＨＳが形成されるように構成されている。このように、再生器３０は、高温空間ＨＳと低温空間ＬＳとの間に位置するようにシリンダ１０内に保持されており、両空間の作動流体が再生器３０を介して周期的に移動しつつディスプレーサピストン２０がシリンダ１０の軸方向に往復移動し得る構成となる。
【００２２】
そして、図４に拡大して示すように、シリンダ１０の内壁面に環状凹部１０ｒが形成され、この環状凹部１０ｒに再生器３０が嵌着され、シリンダ１０内でのディスプレーサピストン２０の往復移動軌跡の全長に亘り、再生器３０の内壁面とディスプレーサピストン２０の外壁面との間が周方向に一定の間隙（クリアランスｄ）を維持するように、ディスプレーサピストン２０がパワーピストン４０に対して摺動可能に支持されており、シリンダ１０内でのディスプレーサピストン２０の往復移動中、作動流体に対し一定の間隙（ｄ）の環状流路ＣＰを維持するように構成されている。
【００２３】
上記のように、ディスプレーサピストン２０はパワーピストン４０に軸方向移動可能に支持されている。即ち、ディスプレーサピストン２０にはロッド５０が固着されており、このロッド５０がパワーピストン４０を貫通してシリンダ１０外に延出し、パワーピストン４０に軸方向移動可能に支持されている。このロッド５０及び／又はパワーピストン４０の支持部に対しＤＬＣコーティング（ダイヤモンドライクカーボン）等の表面硬化処理を行うこととすれば、ディスプレーサピストン４０を安定した状態で保持することができ、シリンダ１０内でのディスプレーサピストン４０の往復移動中、作動流体に対し一定の間隙の環状流路ＣＰを一層確実に維持することができる。更に、パワーピストン４０とシリンダ１０の摺動部分等にも、ＤＬＣコーティング等による表面硬化処理を施しておくとよい。
【００２４】
また、パワーピストン４０にはロッド６０の一端が揺動自在に支持されており、その他端に回転可能に支持されたプレート７１に対し、ロッド５０の先端部に揺動自在に支持されたリンク７２が、揺動自在に連結されており、これらによってクランク機構７０が構成され、フライホイール８０を介してモータジェネレータ２に連結されている。尚、モータジェネレータ２は、例えば周知の永久磁石同期電動機によって構成され、電動モータ及び発電機として機能するものであり、その構造についての説明は省略する。
【００２５】
本実施形態のスターリングエンジンに対してメインテナンスを行う場合には、シリンダ１０を取付部材４に固定した状態でボルトＢ２及びＢ４を緩めて、フランジ部材１ｆをシリンダ１０から離脱させれば、ディスプレーサピストン２０、パワーピストン４０、クランク機構７０及びモータジェネレータ２を連結した状態で、これらと共にハウジング１をシリンダ１０及び取付部材４から取り外すことができる。これにより、装着対象の設備が稼働状態で熱源流路内を流体が流れていても、シリンダ１０が取付部材４に固定されているので、ハウジング１等を熱源流路から取り外すことができる。しかも、この場合においてシール部材Ｓは脱着しなくて済むので、確実にシール性を維持することができる。更に、シリンダヘッド１１側に熱回収パイプやヒートシンクを取付けたスターリングエンジンに対しても、取付孔６ｈの内径より小さい外径であれば、シリンダヘッド１１側を分解することなく、ボルトＢ６を緩め、そのまま全体を天板６から取り外すこともできる。
【００２６】
次に、図５は、本発明の他の実施形態を示すもので、所謂フリーピストン型のスターリングエンジンを構成したものである。本実施形態におけるシリンダ１０内の構成は図１乃至図４の実施形態と実質的に同じであり、実質的に同じ部材には同一の符号を付して説明を省略する。本実施形態のハウジング１は二つのケース１ａ及び１ｂが接合されて成り、両ケースの接合部に支持プレート１ｃが固定されている。ケース１ａには支持部材１７が固着されており、支持部材１７は、シリンダ１０の内壁面に連続してシリンダ内壁面を形成するシリンダ部を有し、このシリンダ部にパワーピストン４０が摺動自在に収容される。支持部材１７のシリンダ部周りには、コイル１０１及びヨーク１０２が固着されており、これらと対向するように、ケース１ａの内壁面にヨーク１０３が固着されている。これらのヨーク１０２及び１０３間に環状の永久磁石１０４が介装されてリニアモータジェネレータ１００が構成され、パワーピストン４０の往復動に追従した永久磁石１０４の軸方向移動に応じて発電し、コイル１０１から電力が出力される。
【００２７】
パワーピストン４０の先端にはプレート４１が固着され、このプレート４１の外周部に上記の永久磁石１０４が装着されているので、パワーピストン４０の軸方向往復動に応じてリニアモータジェネレータ１００が発電することになる。一方、ディスプレーサピストン２０に固定されているロッド５０は、パワーピストン４０を貫通し支持プレート１ｃを越えて延出し、その先端部にプレート５１が固着されており、プレート５１とプレート４１が支持プレート１ｃを介して平行に配置されている。そして、図５に示すように、プレート４１及び５１の両側にはコイルスプリング（代表してＳＰで示す）が配設され、夫々、ハウジング１に対してフローティング状態で支持（浮動支持）されている。而して、本実施形態ではコイル１０１、ヨーク１０２、１０３、及び永久磁石１０４によってリニアモータジェネレータ１００が構成され、スターリングエンジンの始動時は電動モータのスタータとして作動すると共に、自立運転時には発電機及び負荷調整機として機能する。
【００２８】
図５に示すように、本実施形態の熱源流路も天板６とダクト７によって構成され、ダクト７の内面に断熱層８が貼着されている。そして、天板６の略中央に開口する取付孔６ｈを覆うように、蓋体の取付部材４が装着される。尚、天板６とダクト７とは、接着や溶接にて気密に固着され、取付部材４はリング部材５を介して天板６に装着され、ボルトＢ６によって着脱自在に、且つ、複数のシール部材Ｓを介して気密に固定されている。
【００２９】
以上のように、本願発明はフリーピストン型への適用も可能であるが、その場合の仕事の取り出し方としては、リニアモータジェネレータ（リニアモータ及び発電機）の組込み一体化が望ましい。また、パワーピストン４０とディスプレーサピストン２０との間の相対位相差を制御するには、図５に示すように複数のコイルスプリングＳＰを配置することに代えて、従前のようにフレクシャースプリングを用いることとしてもよい。更に、両ピストン間の相対位相差制御に上記のリニアモータジェネレータを用いてもよいし、相対位相差制御手段を付加することとしてもよい。
【００３０】
尚、熱源流路は上記の構造に限るものではなく、狭義の配管に限らず、熱媒体が流動しない貯留槽等も包含される。また、作用させる熱源としては高温に限らず、例えばマイナス１６２℃程度のＬＮＧガス等の低温媒体を用いることも可能である。
【符号の説明】
【００３１】
１      ハウジング
２      モータジェネレータ
３ａ    ステー（第２の支持部材）
３ｂ    ステー（第１の支持部材）
４      取付部材
４ｒ    取付孔
５      リング部材
６      天板
７      ダクト
１０    シリンダ
１１    シリンダヘッド
１２    シリンダ本体
１３    支持筒体
１５    リング部材
２０    ディスプレーサピストン
３０    再生器
４０    パワーピストン
７０    クランク機構
８０    フライホイール
ＨＳ    高温空間
ＬＳ    低温空間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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